土体抗剪强度试验及其应用

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摘 要 本文通过分析和比较各种土体进行室内、室外剪切试验所选用方法的优缺点及指标的应用情况，从而为设计人员在工程设计工作中根据试验条件确定适当的试验方法进而合理选用抗剪强度指标提供参考。

关键词 直接剪切试验；三轴压缩试验；无侧限抗压强度试验；十字板剪切试验

中图分类号 TU 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)021-0145-01

1 直接剪切试验

1.1 直接剪切试验方法分类

直接剪切试验是测定土体抗剪强度最简单的方法，它所测定的是土样预定剪切面上的抗剪强度。大量的试验和工程实践都表明，土体抗剪强度是与土体受力后的排水固结状况有关，故测定强度指标的试验方法应与现场的施工加荷条件一致。直剪试验由于其仪器构造的局限性无法做到任意控制试样的排水条件，为了在直剪试验中能尽量考虑实际工程中存在的不同固结排水条件，通常采用不同加荷速率的试验方法来近似模拟土体在受剪时的不同排水条件，由此产生了三种不同的直剪试验方法，即快剪、固结快剪和慢剪。

1）快剪。快剪试验是在对试样施加竖向压力后，立即以0.8 mm/min的剪切速率快速施加水平剪应力使试样剪切破坏。一般从加荷到土样剪坏只用3 min~5 min。由于剪切速率较快，可认为对于渗透系数小于

10 cm/s~6 cm/s的粘性土在剪切过程中试样没有排水固结，近似模拟了“不排水剪切”过程。2）固结快剪。固结快剪是在对试样施加竖向压力后，让试样充分排水固结，待沉降稳定后，再以0.8 mm/min的剪切速率快速施加水平剪应力使试样剪切破坏。固结快剪试验近似模拟了“固结不排水剪切”过程，它也只适用于渗透系数小于10 cm/s~6 cm/s的粘性土。3）慢剪。慢剪试样是在对试样施加竖向压力后，让试样充分排水固结，待沉降稳定后，以小于0.02 mm/min的剪切速率施加水平剪应力直至试样剪切破坏，使试样在受剪过程中一直充分排水和产生体积变形，模拟了“固结排水剪切”过程。

1.2 直剪试验的优缺点

直剪试验具有设备简单，土样制备及试验操作方便等优点，因而至今仍为国内一般工程所广泛使用。但也存在不少缺点，主要有：l）剪切面限定在上下盒之间的平面，而不是沿土样最薄弱的面剪切破坏。2）剪切面上剪应力分布不均匀，且竖向荷载会发生偏转（上下盒的中轴线不重合），主应力的大小及方向都是变化的。3）在剪切过程中，土样剪切面逐渐缩小，而在计算抗剪强度时仍按土样的原截面面积计算。4）试验时不能严格控制排水条件，并且不能量测孔隙水压力。5）试验时上下盒之间的缝隙中易嵌入砂粒，使试验结果偏大。

2 三轴压缩试验

2.1 三轴试验方法分类

通过控制土样在周围压力作用下的固结条件和剪切时的排水条件，可形成如下三种三轴试验方法。

1）不固结不排水剪（UU试验）。试样在施加周围压力和随后施加偏应力直至剪切破坏的整个试验过程中都不允许排水，即从开始加压直至试样剪坏，土中的含水量始终保持不变，孔隙水压力也不会消散。这种试验方法所对应的实际工程条件相当于饱和软粘土中快速加荷时的应力状况。2）固结不排水剪（CU试验）。在施加周围压力时，将排水阀门打开，允许试样充分排水，待固结稳定后关闭排水阀门，然后再施加偏应力，使试样在不排水的条件下剪切破坏。在剪切过程中, 试样没有任何体积变形。若要在受剪过程中量测孔隙水压力，则要打开试样与孔隙水压力量测系统间的管路阀门。CU试验适用的实际工程条件为一般正常固结土层在工程竣工或在使用阶段受到大量、快速的活荷载或新增荷载的作用下所对应的受力情况，在实际工程中经常采用这种试验方法。3）固结排水剪（CD试验）。在施加周围压力及随后施加偏应力直至剪坏的整个试验过程中都将排水阀门打开，并给予充分的时间让试样中的孔隙水压力能够完全消散。

2.2 三轴试验的优缺点

三轴试验的突出优点是能够控制排水条件以及可以量测土样中孔隙水压力的变化。此外，三轴试验中试样的应力状态也比较明确，剪切破坏时的破裂面在试样的最弱处，而不像直剪试验那样限定在上下盒之间。一般来说，三轴试验的结果还是比较可靠的。

三轴压缩试验的主要缺点是试验操作比较复杂且费用较高，对试验人员的操作技术要求也比较高。另外，常规三轴试验中的试样所受的力是轴对称的，与工程实际中土体的受力情况不太相符。

3 无侧限抗压强度试验

1）试验原理。无侧限抗压强度试验是三轴压缩试验中周围压力为零时的一种特殊情况，所以又称单轴试验。试验时，在不加任何侧向压力的情况下，对圆柱体试样施加轴向压力，直至试样剪切破坏为止。试样破坏时的轴向压力称为无侧限抗压强度。2）无侧限抗压强度试验指标的应用。无侧限抗压强度试验除了可以测定饱和粘性土的抗剪强度指标外，还可以测定饱和粘性土的灵敏度St。土的灵敏度是以原状土的强度与同一土经重塑后（完全扰动但含水量不变）的强度之比来表示的，根据灵敏度的大小，可将饱和粘性土分为三类：低灵敏土、中灵敏土、高灵敏土。

无侧限抗压强度试验适用于测定饱和软粘土的抗剪强度指标。土体灵敏度愈高，其结构性愈强，受扰动后土体强度降低就愈多。粘性土受扰动后而强度降低的性质，一般说来对工程建设是不利的，如在基坑开挖过程中，因施工可能造成土的扰动而会使地基强度降低。

4 十字板剪切试验

1）十字板剪切试验适用条件。十字板剪切试验是针对某种土体抗剪强度的原位测试方法，这种试验方法适合于在现场测定饱和粘性土的原位不排水抗剪强度，特别适用于均匀饱和软粘土。2）十字板剪切试验的基本操作。十字板剪切试验采用的试验设备主要是十字板剪力仪。十字板剪力仪通常由十字板头、扭力装置和量测装置三部分组成。试验时，先把套管打到要求测试深度以下75 cm处，将套管内的土清除，再通过套管将安装在钻杆下的十字板压入土中至测试的深度。加荷是由地面上的扭力装置对钻杆施加扭矩，使埋在土中的十字板扭转，直至土体剪切破坏。

5 抗剪强度试验方法与指标的选用

在实际工程中，地基条件与加荷情况不一定非常明确，如加荷速度的快慢、土层的厚薄、荷载大小以及加荷过程等都没有定量的界限值，而常规的直剪试验、无侧限抗压强度试验与三轴试验都是在理想化的室内试验条件下进行，与实际工程之间存在一定的差异。因此，在选用强度指标前需要认真分析实际工程的地基条件与加荷条件，并结合类似工程的经验加以判断，选用合适的试验方法与强度指标。

室内试验都要求事先取得原状土样，由于试样在采取、运送、保存和制备等过程中不可避免地会受到扰动，土体含水量也难以保持天然状态，特别是对于高灵敏度的粘性土扰动更大，故试验结果对土体实际情况的反映将会受到不同程度的影响。而现场十字板剪切试验由于是直接在原位进行试验，不必采取土样，故土体所受的扰动较小，被认为是比较能反映土体原位强度的测试方法，但如果软土层中夹有薄层粉细砂，则十字板试验结果就可能会偏大。

在实际的测试工作中，有条件时应尽可能地多采取几种不同的试验方法，分析研究出现偏差的原因，以便能够找到最合理的抗剪强度指标，从而为设计工作者提供最科学的设计参数。

参考文献

[1]GB/T 50123-1999土工试验方法标准[S].

[2]土力学地基基础(第四版)[M].清华大学出版社.